专利名称：增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜电池，特别涉及一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池及制作方法。
背景技术：
非晶硅太阳能电池由于可大面积、制作成本低并且与当前的技术兼容具有很好的应用前景。在非晶硅电池的研究中，成本和性能是当前研究的主题，为进一步提高效率，人们构建叠层非晶硅电池，采用两个到多个Pin单结电池串联或并联的结构来提高效率。这样无疑是增加了制作成本，降低了产能。一般的单结pin非晶硅电池是在透明导电膜TCO的玻璃上连续沉积p+-a-Si:H、 i-a-Si:H、n+-a-Si:H构成的，其中本征的非晶硅薄膜i-a-Si:H是主要的光吸收层产生大量的光生载流子，而η+和P+掺杂层基本不产生光生载流子。这种单结薄膜电池工艺简单，但非晶硅材料本身的光致劣化以及不够完全的光谱匹配性，导致效率和稳定性不佳，限制了非晶硅薄膜电池的进一步发展。提高效率、增强稳定性的方法一般是采用宽带隙的低吸收的材料作为窗口层，以及采用高光谱匹配的材料。有碳掺杂的p+a-SiC:H层具有较宽的带隙，可以用作窗口层。宽带隙的p+a-SiC:H 层减少了光吸收损耗，增强了光在本征层的吸收，提高了短路电流。但是宽带隙的 p+a-SiC:H层却增加了 p+iC:H层/TCO层的阳极界面势垒，使填充因子降低。铝由于导电性好、成本低常用在太阳能电池中做阴极材料。但在pin结构中也同样存在阴极Al与n+a-Si:H层之间光生载流子导出的问题，导致串联电阻大，填充因子低。在这种情况下，如何能实现提高效率的基础上，简化工艺、提高产能；如何能在单结Pin结构中，利用宽带隙的p+a-SiC:H层增加太阳光的利用率，又能添加一个具有合适带隙宽度及功函数匹配的材料作为阳极界面修饰层，降低串联电阻且增强阳极光生载流子的收集；以及如何能够降低阴极界面的势垒促进光生载流子的导出，又能补偿非晶硅光谱匹配的不足，增强短波和长波光谱匹配；这些都是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有单结pin结构中，非晶硅薄膜太阳能电池存在的光谱利用率不高、串联电阻大的问题，而提供一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池及制作方法。本发明之增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池是由透明衬底、前透明导电层TC0、 第一电极修饰层a-Ge H、第一窗口层ρ+- μ c_Si H和第二窗口层p+-a_SiC H、本征非晶硅 i-a-Si:H、n型非晶硅n-a-Si:H、第二电极修饰层ΖΑ0、背电极铝膜Al从下往上构成的增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池。所述的透明衬底采用高透光率的玻璃或柔性衬底。所述的前透明导电层TCO采用掺硼的氧化锌aiO:B，并形成绒面结构，光从它穿过被电池吸收，又充当电池的电极，要求透过率高、导电性好，采用低压化学汽相沉积(LPCVD) 的方法制备。其厚度为1000 2000nm。所述的第一电极修饰层采用非晶锗a-Ge:H，用等离子增强化学气相沉积(PECVD) 方法制备，采用GeH4处理前透明导电层TCO表面，形成一层薄膜，修饰阳极界面，降低阳极界面势垒，其厚度为2 10nm。所述的第一窗口层采用ρ型微晶硅p+-yC-Si:H，用作窗口第一层，增加光谱匹配性及稳定性，其厚度为2 20nm。所述的第二窗口层采用ρ型非晶碳化硅p+-a-SiC:H，用作窗口第二层，利用宽带隙降低光吸收损耗，提高短路电流，其厚度为10 30nm。所述的本征非晶硅为吸收层采用的是非晶硅i-a-Si:H，用作光吸收层，其厚度为 200 400nm。所述的pin结构中的η型非晶硅采用非晶硅n+-a_Si :Η，其厚度10 30nm。所述的第二电极修饰层采用的是掺铝的氧化锌薄膜ZA0，采用溅射方法形成阴极界面修饰层，用于提高光利用率，及降低阴极界面势垒，同时保护电池，其厚度为0. 2 30nmo所述的背电极膜采用铝膜，采用连续溅射的方法，提高产能，其膜厚为50 200nm。本发明之增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池的制作方法包括以下步骤1、透明衬底清洗刷洗，使用0. 3%表面活性剂；水洗，处理过程是，前给水10s、排水30s、给水90s，共两回，超声清洗，超声波的频率为35KHz，旋转干燥；2、低压化学汽相沉积(LPCVD)前透明导电层(TCO)前透明导电层采用掺硼的氧化锌SiO B，二乙基锌(C2H5)2Zn流量为10 15sccm和水蒸汽浓度流量为12 20sccm，掺杂的KH6浓度为0. 1 3%，反应压力为10 80Pa，温度为100 400°C。3、等离子增强化学气相沉积(PECVD)连续真空镀膜第一电极修饰层a-Ge:H，采用锗烷GeH4浓度100%，压力150 180Pa，功率100 500W，温度100 260°C，等离子体处理2 20min ；第一窗口层ρ+-μ c-Si:H，采用硼烷KH6、硅烷SiH4、氢气H2,高的氢稀释比H2/SiH4 =50 400，B2H6/SiH4 = 0. 1 4，温度为 110 260°C，功率 100 260W ；第二窗口层p+-a-SiC:H，采用硅烷SiH4浓度为30 70%、氢气H2浓度为20 50%、硼烷KH6浓度为20 80%、甲烷CH4浓度为10 70%，温度为100 260°C，功率 100 260W ；本征非晶硅i-a-Si:H，采用硅烷SiH4浓度为70%、氢气H2浓度为50%，衬底温度 180 260°C，射频功率200 250W，生长气压65 75Pa ；η型非晶硅n+-a-Si:H，采用硅烷SiH4浓度为40%、氢气H2浓度为40%、磷PH3浓度为60%，衬底温度200 260°C，射频功率200 250W，生长气压60 130Pa ；4、微刻蚀清洗微刻蚀清洗条件为采用1.6MHz的兆声清洗、循环水洗、 微刻蚀、臭氧O3水清洗，超声清洗，异丙醇干燥。微刻蚀剂为HF NH4F H2O = 0. 17 17.10 82. 73，其作用是把n+a-Si表层的氧化硅去掉，以免接触不良，再用O3水清洗时清洗后的表面形成一层薄的氧化硅；基板清洗后要控制时间较短，因为表面曝露的是n+a-Si :H，在空气中停放会再氧化，时间要小于20分钟；如超过时间还未进行成膜的，则需进行重洗；5、溅射掺铝的氧化锌薄膜&ι0:Α1 本底真空10_5Pa，氩气流量为10 60sCCm，溅射气压为0. 2 4. OPa，功率为10 200W，温度为室温 150°C，磁扫描次数1 5scan ；6、连续溅射背电极Al 氩气Ar流量为40 60sCCm，溅射气压为0. 2 2. OPa,功率为1 10kW，温度为220 260°C，磁扫描次数1 5scan ；7、处理后，得到成品。
图1为本发明之增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池的结构示意图。图2是本发明至增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池之光电特性示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明之增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池是由透明衬底、前透明导电层TC0、第一电极修饰层a-Ge:H、第一窗口层ρ+-μ c-Si:H和第二窗口层p+-a_SiC:H、 本征非晶硅i_a-Si:H、η型非晶硅n+-a-Si:H、第二电极修饰层ΖΑ0、背电极膜Al从下往上构成的增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池。所述的透明衬底采用高透光率的玻璃或柔性衬底。所述的前透明导电层TCO采用掺硼的氧化锌&ιΟ:Β，并形成绒面结构，光从它穿过被电池吸收，又充当电池的电极，要求透过率高、导电性好，采用低压化学汽相沉积(LPCVD) 的方法制备。其厚度为1000 2000nm。所述的第一电极修饰层采用非晶锗a-Ge:H，用等离子增强化学气相沉积(PECVD) 方法制备，采用GeH4处理TCO表面，形成一层薄膜，修饰阳极界面，降低阳极界面势垒，其厚度为2 IOnm0所述的第一窗口层采用ρ型微晶硅p+-yC-Si:H，用作窗口第一层，增加光谱匹配性及稳定性，其厚度为2 20nm。所述的第二窗口层采用ρ型非晶碳化硅p+-a-SiC:H，用作窗口第二层，利用宽带隙降低光吸收损耗，提高短路电流，其厚度为10 30nm。所述的本征非晶硅为吸收层采用的是非晶硅i-a-Si:H，用作光吸收层，其厚度为 200 400nm。所述的pin结构中的η型采用非晶硅n+-a_Si :Η，其厚度10 30nm。所述的第二电极修饰层采用的是掺铝的氧化锌薄膜ΖΑ0，采用溅射方法形成阴极界面修饰层，用于提高光利用率，及降低阴极界面势垒，同时保护电池，其厚度为0. 2 30nmo所述的背电极采用铝(Al)膜，采用连续溅射的方法，提高产能，其膜厚为50 200nm。本发明之增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池的制作方法包括以下步骤1、透明衬底清洗刷洗，使用0. 3%表面活性剂；水洗，处理过程是，前给水10s、排水30s、给水90s，共两回，超声清洗，超声波的频率为35KHz，旋转干燥；
2、低压化学汽相沉积(LPCVD)前透明导电层(TCO)前透明导电层采用掺硼的氧化锌SiO B，二乙基锌(C2H5)2Zn流量为10 15sccm和水蒸汽浓度流量为12 20sccm，掺杂的KH6浓度为0. 1 3%，反应压力为10 80Pa，温度为100 400°C。3、等离子增强化学气相沉积(PECVD)连续真空镀膜电极修饰层a-Ge:H，采用锗烷GeH4浓度100%，压力150 180Pa，功率100 500W，温度100 260°C，等离子体处理 2 20min ；第一窗口层ρ+-μ c-Si:H，采用硼烷KH6、硅烷SiH4、氢气H2,高的氢稀释比H2/SiH4 =50 400，B2H6/SiH4 = 0. 1 4，温度为 110 260°C，功率 100 260W ；第二窗口层p+-a-SiC:H，采用硅烷SiH4浓度为30 70%、氢气H2浓度为20 50%、硼烷KH6浓度为20 80%、甲烷CH4浓度为10 70%，温度为100 260°C，功率 100 260W ；本征非晶硅i-a-Si:H，采用硅烷SiH4浓度为70%、氢气H2浓度为50%，衬底温度 180 260°C，射频功率200 250W，生长气压65 75Pa ；η型非晶硅n+-a-Si:H，采用硅烷SiH4浓度为40%、氢气H2浓度为40%、磷PH3浓度为60%，衬底温度200 260°C，射频功率200 250W，生长气压60 130Pa ；4、微刻蚀清洗微刻蚀清洗条件为采用1.6MHz的兆声清洗、循环水洗、 微刻蚀、臭氧O3水清洗，超声清洗，异丙醇干燥。微刻蚀剂为HF NH4F H2O = 0. 17 17.10 82. 73，其作用是把n+a-Si表层的氧化硅去掉，以免接触不良，再用O3水清洗时清洗后的表面形成一层薄的氧化硅；基板清洗后要控制时间较短，因为表面曝露的是 n+a-Si :H，在空气中停放会再氧化，时间要小于20分钟；如超过时间还未进行成膜的，则需进行重洗；5、溅射掺铝的氧化锌薄膜&ι0:Α1 本底真空10_5Pa，氩气流量为10 60sCCm，溅射气压为0. 2 4. OPa，功率为10 200W，温度为室温 150°C，磁扫描次数1 5scan ；6、连续溅射背电极Al 氩气Ar流量为40 60sCCm，溅射气压为0. 2 2. OPa,功率为1 10kW，温度为220 260°C，磁扫描次数1 5scan ；7、处理后，得到成品。采用该工艺流程制备的增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池之光电特性如图2所
7J\ ο表1显示在标准条件下测试的稳定值辐射度为1000W/m2，光谱AMI. 5 ；温度为 25 °C。表 权利要求
1.一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于是由透明衬底、前透明导电层TC0、第一电极修饰层a-Ge:H、第一窗口层p+i:H、第二窗口层p+-a-SiC:H、本征非晶硅 i-a-Si :Η、η型非晶硅n+-a-Si :Η、第二电极修饰层ZAO和背电极铝Al从下往上构成。
2.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的前透明导电层采用掺硼的氧化锌，并形成绒面结构，其厚度为1000 2000nm。
3.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的第一电极修饰层采用非晶锗a-Ge:H，其厚度为2 lOnm。
4.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的第一窗口层采用P型微晶硅P+-μ c-Si:H，其厚度为2 20nm。
5.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的第二窗口层采用P型非晶碳化硅P+-a-SiC:H，其厚度为10 30nm。
6.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的本征非晶硅为吸收层采用的是非晶硅i-a-Si:H，其厚度为200 400nm。
7.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的Pin结构中的η型非晶硅采用非晶硅n+i :Η，其厚度10 30nm。
8.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的第二电极修饰层采用的是掺铝的氧化锌薄膜，其厚度为0. 2 30nm。
9.根据权利要求1所述的一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池，其特征在于所述的背电极采用溅射的铝Al膜，其膜厚为50 200nm。
10.一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池的制作方法，该方法包括以下步骤(1)、透明衬底清洗刷洗，使用0. 3%表面活性剂；水洗，处理过程是，前给水10s、排水 30s、给水90s，共两回，超声清洗，超声波的频率为35KHz，旋转干燥；O)、低压化学汽相沉积(LPCVD)前透明导电层(TCO)前透明导电层采用掺硼的氧化锌SiO B，二乙基锌(C2H5)2Zn流量为10 15sccm和水蒸汽浓度流量为12 20sccm，掺杂的KH6浓度为0. 1 3%，反应压力为10 80Pa，温度为100 400°C ；(3)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)连续真空镀膜第一电极修饰层a-Ge:H，采用锗烷GeH4浓度100%，压力150 180Pa，功率100 500W，温度100 260°C，等离子体处理 2 20min ；第一窗口层ρ+-μ c-Si:H，采用硼烷KH6、娃烧SiH4、氢气H2,高的氢稀释比H2/SiH4 = 50 400，B2H6/SiH4 = 0. 1 4，温度为 110 260°C，功率 100 260W ；第二窗口层p+-a-SiC H，采用硅烷SiH4浓度为30 70 %、氢气H2浓度为20 50 %、 硼烷KH6浓度为20 80%、甲烷CH4浓度为10 70%，温度为100 260°C，功率100 260W ；本征非晶硅i-a-Si H，采用硅烷SiH4浓度为70 %、氢气吐浓度为50 %，衬底温度180 2600C，射频功率200 250W，生长气压65 75Pa ；η型非晶硅n+-a-Si:H，采用硅烷SiH4浓度为40%、氢气H2浓度为40%、磷PH3浓度为 60%，衬底温度200 260°C，射频功率200 250W，生长气压60 130Pa ；(4)、微刻蚀清洗微刻蚀清洗条件为采用1.6MHz的兆声清洗、循环水洗、微刻蚀、臭氧O3水清洗，超声清洗，异丙醇干燥；微刻蚀剂为HF NH4F H2O = O. 17 17.10 82.73，再用臭氧O3水清洗，清洗后的暴露时间小于20分钟；如超过时间还未进行成膜的，则需进行重洗；(5)、溅射掺铝的氧化锌薄膜SiO Al 本底真空10_5Pa，氩气流量为10 60sCCm，溅射气压为0. 2 4. OPa，功率为10 200W，温度为室温 150°C，磁扫描次数1 5scan ；(6)、连续溅射背电极铝Al氩气Ar流量为40 60sCCm，溅射气压为0. 2 2. OPa,功率为1 10kW，温度为220 260°C，磁扫描次数1 5scan。
全文摘要
本发明公开了一种增设电极修饰层的非晶硅薄膜电池及制作方法，所述薄膜电池包含透明衬底、前透明导电层、第一电极修饰层、第一窗口层、第二窗口层、本征非晶硅、n型非晶硅、第二电极修饰层、背电极铝膜；同时提供了该薄膜电池的制作方法，依次包括如下步骤通明衬底层清洗、LPCVD沉积TCO层、PECVD连续真空镀膜(第一电极修饰层、第一窗口层和第二窗口层、本征非晶硅、n型非晶硅)、清洗、溅射电极修饰层和背电极铝层，本发明采用了非晶硅薄膜的pin结构，增设了阳极修饰层a-Ge:H和阴极修饰层ZAO，同时采用双层窗口层，提高了太阳光光谱在短波和长波区的吸收，降低了吸收损耗和串联电阻，提高了开路电压和填充因子；连续成膜的方法，工艺简单，可大幅度降低制造成本。
文档编号H01L31/20GK102496647SQ20111044584
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者张伟, 王丽娟, 秦海涛, 薛俊达 申请人:营口联创太阳能科技有限公司